Gratis elektronlaser

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 2 maj 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

Frielektronlaser ( FEL ) är en typ av laser  där strålning genereras av en monoenergetisk elektronstråle som fortplantar sig i en undulator  - ett periodiskt system av avböjande ( elektriska eller magnetiska ) fält. Elektroner, som gör periodiska svängningar, avger fotoner , vars energi beror på elektronernas energi och parametrarna för undulatorn.

Beskrivning

I motsats till gas- , flytande- eller fasttillståndslasrar , där elektroner exciteras i bundna atomära eller molekylära tillstånd, är FEL-strålningskällan en elektronstråle i ett vakuum som passerar genom en serie magneter placerade på ett speciellt sätt - en undulator ( wiggler), rör sig strålelektroner längs en bana nära sinusformade , förlorar energi omvandlas till en ström av fotoner , medan röntgenstrålning uppstår , används till exempel för att studera arrangemanget av atomer i kristaller och studera andra nanostrukturer.

Genom att ändra elektronstrålens energi, liksom styrkan på magnetfältet och avståndet mellan magneterna i undulatorn, är det möjligt att ändra frekvensen av laserstrålning över ett brett område, från FEL, som är den huvudsakliga skillnad mellan FEL och lasrar från andra liknande system. Strålningen som produceras av FEL används för att studera nanometerstrukturer  - partiklar så små som 100 nanometer i storlek har avbildats med röntgenmikroskopi med en upplösning på cirka 5 nm [1] .

Designen för den första fria elektronlasern publicerades 1971 av John Maidy som en del av hans doktorandprojekt vid Stanford University . 1976 demonstrerade Maidy och kollegor de första experimenten med FEL med 24 MeV elektroner och en 5-meters wiggler för att förstärka strålning [2] . Lasereffekten var 300 mW, och effektiviteten av att omvandla elektronstrålens energi till strålning var endast 0,01 %, men funktionsdugligheten för sådana enheter visades, vilket ledde till ett ökat intresse och en ökning av antalet studier i området FEL.

Erhålla röntgenlaserstrålning

För att skapa laserröntgenstrålar behövs en elektronstråle, accelererad i en accelerator till en hastighet nära ljusets hastighet . Den resulterande strålen skickas till en vickare .

En wiggler är en magnet som skapar ett starkt tvärgående (vanligtvis vertikalt) magnetfält som förändras i rymden. Det kan föreställas som en sekvens av korta dipolmagneter, orienteringen av polerna hos de intilliggande är motsatt.

Vickaren är installerad i elektronsynkrotronens linjära gap , och den ultrarelativistiska strålen, avböjd av vickarens magnetfält, fortplantar sig i den längs en slingrande bana nära en sinusform, och avger fotoner vars utbredningsriktning är koncentrerad i en smal kon längs strålens axel. Det typiska våglängdsintervallet för synkrotronstrålning som genereras av en vickare är från hård ultraviolett strålning till mjuk röntgenstrålning . Det finns också vickare med genererade fotonenergier upp till flera MeV .

En wiggler placerad i en Fabry-Perot-resonator (till exempel i form av två parallella speglar) är den enklaste laseranordningen med frielektroner. Wiggler-magneter kan vara vanliga elektromagneter, supraledande eller permanenta. Det typiska magnetfältet för en vickare är upp till 10 Tesla . Effekten hos den resulterande synkrotronstrålningen är upp till hundratals kW  och beror på strålströmmen, på fältstyrkan och även på antalet wigglermagnetpoler, som sträcker sig från tre till flera tiotal.

Röntgenlasern kräver användning av elektronacceleratorer med biologisk strålningsskärmning eftersom de accelererade elektronerna utgör en betydande strålningsrisk. Dessa acceleratorer kan vara cykliska acceleratorer (som en cyklotron ) eller linjäracceleratorer . Det finns ett projekt för att använda superkraftig laserstrålning för att accelerera elektroner . Själva elektronstrålen fortplantar sig i ett vakuum , vars underhåll kräver användning av många pumpar.

Applikation

Det används för kristallografi och för att studera strukturen hos atomer och molekyler ( laserröntgenmikroskopi ).

Röntgenlasrar, inklusive FEL, kan producera "mjuka" röntgenstrålar vid medicinska våglängder. Den penetrerar inte ens genom ett pappersark, men är lämplig för att sondera joniserade gaser med en hög täthet av joniserade partiklar (ju kortare våglängd, desto djupare tränger strålen in i tät plasma), samt för att studera nya och befintliga material.

Perspektiv

Röntgenmikroskopi fortsätter att förbättras, närmar sig en upplösning på 1 ångström (0,1 nm) och öppnar upp möjligheter för avbildning av atomer och molekylära strukturer. Det kommer också att finna tillämpning inom medicinska ändamål och mikroelektronik.

Den konstanta minskningen av storleken på installationer, minskningen av deras kostnader, produktionen av stationära röntgenlasrar kommer att bli ett välbekant verktyg i laboratorier för studier av plasmafysik, så deras fördel är låg energiförbrukning, hög pulsupprepningshastighet och kort våglängd. Deras flexibilitet gör dem användbara inom många områden, inklusive området medicinsk diagnostik, oförstörande forskningsmetoder, etc. [3]

Under 2009 påbörjades byggandet av den europeiska röntgenfria elektronlasern nära Hamburg (Tyskland) och förväntas bli den största röntgenlasern i världen. Tyskland, Frankrike och Ryssland deltar i detta projekt. Kostnaden för projektet överstiger 1 miljard euro [4] . Denna laser togs i drift den 1 september 2017 [5] .

Den amerikanska flottan undersöker möjligheterna att använda en fri elektronlaser som ett luft- och missilförsvarsvapen. Lasern, utvecklad vid Jefferson Lab , har en uteffekt så hög som 14 kW [6] .

Forskning pågår på en megawatt luftburen laser [7] .

Den 9 maj 2009 meddelade Bureau of Naval Research att de hade tilldelat Raytheon ett kontrakt för att utveckla en experimentell 100 kW fri elektronlaser [8] .

Den 18 mars 2010 meddelade Boeing Directed Energy Systems slutförandet av den preliminära designen av ett vapensystem baserat på en fri elektronlaser, beställt av den amerikanska flottan [9] .

Forskning om dessa lasrar pågår också vid Los Alamos National Laboratory , med en fullskalig prototyptestning planerad till 2018 [10] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Ny upplösningsgräns för röntgenmikroskop nådd . Hämtad 15 oktober 2009. Arkiverad från originalet 18 september 2008.
  2. ↑ Fria elektronlasrar och andra avancerade ljuskällor: Scientific Research Opportunities (1994)
  3. ↑ Röntgenlaser: från underjorden till skrivbordet | Nr 11, 2005 | Tidskrift "Science and Life" . Hämtad 10 augusti 2009. Arkiverad från originalet 28 november 2007.
  4. ↑ Hacka materiens hemligheter: nuvarande och framtida XFEL-röntgenlasrar | Nanoteknik Nanonewsnet . Hämtad 15 oktober 2009. Arkiverad från originalet 1 oktober 2009.
  5. ↑ Molecular cinema: hur den mest kraftfulla röntgenfria elektronlasern kommer att fungera  (ryska) , RT på ryska . Arkiverad från originalet den 5 september 2017. Hämtad 6 september 2017.
  6. ↑ Jefferson Lab Free-Electron Laser Program . Thomas Jefferson National Accelerator Facility . Hämtad 21 december 2015. Arkiverad från originalet 8 december 2015.
  7. ↑ Roy Whitney; David Douglas; George Neil Luftburen megawattklass frielektronlaser för försvar och säkerhet (1 mars 2005). Hämtad 21 december 2015. Arkiverad från originalet 22 december 2015.
  8. ↑ Raytheon tilldelas kontrakt för Office of Naval Researchs fria elektronlaserprogram  (9 juni 2009). Arkiverad från originalet den 22 december 2015. Hämtad 21 december 2015.
  9. ↑ Boeing: Boeing slutför preliminär design av fritt elektronlaservapensystem (18 mars 2010). Hämtad 21 december 2015. Arkiverad från originalet 22 december 2015.
  10. ↑ Genombrottslaser kunde revolutionera marinens vapen , Fox News  (20 januari 2011). Arkiverad från originalet den 22 december 2015. Hämtad 21 december 2015.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger
 partikelacceleratorer
Genom design
Enligt överenskommelse